圖 1 聲發射檢測原理示意
分享：0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的聲發射強度閾值探討
為滿足壓力容器在聲發射檢測中聲發射源區強度劃分的準確性要求，需設計相關材料聲發射特性試驗來獲得相對應的a，b推薦值，以達到無損檢測的目標。近年來國內外研究學者采用聲發射檢測技術對焊接結構裂紋擴展進行了大量研究，取得了一定成果，也有不少學者總結了該方法在金屬材料、高分子材料和非金屬復合材料斷裂損傷中的應用[1-7]。
文章針對0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，通過材料試驗找出a，b推薦值，以準確劃分由0Cr18Ni9Ti材料構成的承壓設備的聲發射源強度等級。根據目前的標準NB/T 47013.9—2012《承壓設備無損檢測 第9部分：聲發射檢測》中只有Q345R的材料具有確定的a，b值，沒有針對其他金屬材料的a，b值，故文章通過力學拉伸試驗獲取相應的定量化a，b值，用于在實際應用中指導檢測結果的評價參考。
文章設計制作了4種類型試件的力學試驗，包括母材無缺陷、焊縫帶缺陷、焊縫無缺陷、母材V口缺陷試件，并進行拉伸試驗，了解不同類型缺陷之間的信號參數的變化規律，找出表征材料不同階段的參數差別，用以確定合適的a，b值作為強度評價的參考。
1. 聲發射檢測原理
聲發射的檢測原理如圖1所示，聲發射源發射的彈性波傳播到達材料的表面時，會引起可以用傳感器探測到的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉換為電信號，然后檢測系統主機對其進行處理與分析，從而實現對材料質量狀況的評估。在材料加工、處理和使用過程中有很多因素能引起內應力的變化，如位錯運動、孿生、裂紋萌生與擴展、斷裂、無擴散型相變、磁疇壁運動、熱脹冷縮、外加負荷的變化等，固體材料中內應力的變化產生聲發射信號。而材料在應力作用下，會出現彈性變形、塑性變形甚至斷裂。其中裂紋的形成和擴展過程中產生的聲發射源是聲發射檢測技術中的重要關注點。試驗表明，各種材料聲發射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，可從數 Hz 到數 MHz，根據理論計算，最高頻率可達 50 MHz。其中，金屬材料的聲發射檢測技術主要關心的頻率為 100~400 kHz。
2. 試驗裝置
2.1 試驗機單元
針對帶缺陷、低抗拉強度材料采用量程為 10 t 的試驗機進行拉伸，針對無缺陷、高抗拉強度的材料采用量程為 20 t 的試驗機進行拉伸。采用引伸計作為應變測量儀器，記錄應力應變曲線。力學性能試驗機調整至位移橫速拉伸模式，依據材料的延展特性，加載速率設為 2 mm·min−1。試驗中應確保力學性能試驗機與聲發射檢測系統時間同步（2個設備原始數據可實現時間對應），并記錄拉伸機應力值、位移等參數，拉伸試驗傳感器布置如圖2所示。
圖 2 拉伸試驗傳感器布置示意
2.2 采集單元
（1） 傳感器
壓電傳感器接收聲發射信號，是影響聲發射儀器性能的關鍵組成部分。在進行聲發射檢測時，傳感器和試件之間應保證良好的聲耦合。采用的傳感器諧振頻率為 150 kHz，帶寬為 100~400 kHz。
（2） 前置放大器
前置放大器置于傳感器附近，可對傳感器的輸出信號進行放大，并通過同軸屏蔽電纜將信號傳輸到采集卡上。前置放大器具有 20，40，60 dB 三檔放大倍數，可根據聲發射源信號的不同自由選擇，同時放大器具有較寬的帶寬，可以搭配多種頻率的傳感器。
（3） 采集卡
采集卡為新一代 PCIE 總線采集卡，集中 8個聲發射采集通道和 8個外參數通道，具有 16位 A/D （模擬/數字）轉換精度，由模擬多路轉換開關、采樣/保持電路及A/D轉換器組成。其中，聲發射特征提取電路將數字化的聲發射信號變成聲發射特性參數。最后通過 PCIE 總線，由系統 CPU 來讀取和處理聲發射數據。
（4） 主機
采用堅固的工業用便攜式聲發射主機，保證采集過程的穩定運行，內部具有 PCI-Express 總線接口。
（5） 采集分析軟件
聲發射采集分析軟件，具有門檻閾值設置功能，可以濾除掉現場的背景噪聲；具有軟件控制的模擬濾波器功能；可根據采樣定理設置采樣率和采集長度；可進行時間參數設置；軟件具有 16個時域參數和 6個頻域參數的采集功能，文中試驗選擇幅值參數；在定位設置中，選擇線性定位的方法作為閾值濾波方法。
（6） 顯示單元
采用計算機通過網線連接顯示，可以實時顯示采集情況、遠程控制、傳導數據，應用方便。
2.3 試件制作
試件按照 GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、NB/T 47016—2011《承壓設備產品焊縫試件的力學性能試驗》標準的要求進行制作，試件的具體尺寸如圖3，圖4所示。圖3包含了三種類型試件的尺寸要求，包括焊縫無缺陷、焊縫有缺陷、母材無缺陷試件；圖4中包含了母材帶 V 口缺陷的試件尺寸信息，拉伸試件實物如圖5所示。
圖 3 板材拉伸試件尺寸示意
圖 4 母材帶 V 口缺陷拉伸試件尺寸示意
圖 5 拉伸試件實物
此次試驗根據力學試驗對數據樣本的要求，每種類型共制作 6個試件，保證有 5個試件的有效試驗數據，剩余 1個試件用于數據不完整的補充以及材料分析。
試件上的標記代表如下含義：① 焊縫無缺陷-焊縫無缺陷；② 焊縫帶缺陷-焊縫有條形缺陷；③ 母材透-母材無缺陷；④ 母材紋-母材 V 口缺陷。
3. 試驗過程
將聲發射傳感器放置于試件兩端的弧形過渡位置處（見圖2），采用布基膠帶進行固定，傳感器與試件表面采用耦合劑進行耦合，同時采用引伸計對試件的拉伸應變進行測量。拉伸試驗過程中，聲發射系統實時采集數據；根據不同拉伸試件的抗拉強度，選擇不同量程的拉伸試驗機進行拉伸，直到其最終拉斷，記錄全過程的聲發射數據和拉伸試驗數據，進行對比分析。
所用聲發射傳感器的諧振頻率為 150 kHz，響應帶寬為 100~400 kHz。采用直徑 0.3 mm 的2H 鉛筆鉛芯進行斷鉛試驗，保證傳感器耦合良好。
3.1 靈敏度測試
采用直徑 0.3 mm 的2H 自動鉛筆鉛芯，伸長 2~3 mm，在距離探頭 10 mm 處斷鉛5次，取3次斷鉛數值接近的幅值取均值為ax，兩個通道的均值相加再取均值為a，靈敏度滿足的條件是任意通道的均值ax與兩個通道的均值a的差不大于 ±2 dB。該過程既判斷了各個通道的耦合情況是否滿足要求，又測試了每個通道的探頭、信號線、采集通道是否正常，并確認探頭連接的通道號是否正確。
3.2 噪聲測試
試驗機通電啟動，對試件進行初始預加載，載荷為正常載荷的 5%~10%。啟動聲發射軟件開始采集信號，觀察試驗機預加載時的噪聲水平，并觀察機械噪聲和電磁噪聲水平的大小，采集時間不少于 15 min，再根據噪聲水平，設置檢測門檻確保噪聲不會對試驗結果產生影響，文章設置門檻為 40 dB。
3.3 聲速測試
定位的準確性與聲速關系較大，因此需要進行聲速測試。采用斷鉛法，通過兩個探頭接收該斷鉛信號的時間差與斷鉛位置到達此兩個探頭的距離差來計算得到信號傳播速度V（聲速），即
| (1) |
式中：ΔS為距離差；ΔT為時間差。
為了避免聲速在特定傳播方向的偏差，需要測得不同方向的探頭路徑的聲速Vx，得到平均速度Va，取平均速度進行定位，可以更好地減少誤差。
3.4 定位校準
裂紋定位非常關鍵，可以根據定位點的參數特征、波形特征、集中趨勢以及與載荷次數的相關性，來判斷定位點是否為裂紋信號。
定位校準時，采用斷鉛法在軟件顯示的定位集中區域斷鉛，再觀察該斷鉛信號在軟件上的定位與原顯示位置是否一致，測量偏差方向、偏差距離，從而反向移動斷鉛點，找到復雜結構的實際裂紋開裂位置。
3.5 數據采集
實際測試開始后，試驗機對試件進行加載拉伸，同時采集試驗數據，得到試驗過程的信號圖譜。
4. 數據分析
將采集的數據進行重放分析，對比加載曲線，觀察加載的不同階段的曲線變化；將聲發射與加載曲線進行對比分析，觀察不同加載階段對應的聲發射信號變化過程，不同工況下的加載曲線以及幅值散點如圖6~13所示。
圖 6 焊縫有缺陷試件加載曲線
圖 7 焊縫無缺陷試件加載曲線
圖 8 母材有缺陷試件加載曲線
圖 9 母材無缺陷試件加載曲線
圖 10 焊縫帶缺陷試件幅值散點圖
圖 11 焊縫無缺陷試件幅值散點圖
圖 12 母材 V 口缺陷試件幅值散點圖
圖 13 母材無缺陷試件幅值散點圖
4.1 數據處理與分析
考慮到材料韌性較強，聲發射信號較弱的可能性，文章主要采用聲發射定位事件結合不同通道的聲發射撞擊信號（參數和波形）進行數據的綜合分析與處理。具體技術手段包括以下10個方面。
（1） 利用過門檻技術實時捕捉突發脈沖信號，提取聲發射信號波形和特征參數。
（2） 采用幅值濾波濾除低幅值的噪聲信號和不需要的信號。
（3） 采用參數帶通頻率濾波方法濾除低頻干擾噪聲。
（4） 基于時序判斷方法，判斷裂紋的區域。
（5） 基于撞擊數和能量數的方法確定裂紋區域的空間位置。
（6） 采用時差定位的方法進行聲源判定。
（7） 基于參數的關系法，相關法區別裂紋信號與噪聲信號。
（8） 根據采集的波形特征與頻譜特征，區別裂紋信號與噪聲信號。
（9） 基于撞擊數率或能量數率的關系，判斷信號的活度與強度。
（10） 基于事件數率的多少，判斷損傷發展的劇烈程度或嚴重度。
4.2 主要分析步驟
（1） 通過力學試驗，獲取試件結構不同區域裂紋萌生-擴展-貫通過程的聲發射特征參數信息，以及這些信息與不同載荷階段產生的損傷類型的對應關系。
（2） 得到不同損傷類型對應的信號特征的幅值，確定不同損傷類型的頻率、能量等參數特征。
（3） 針對試驗過程進行實時在線監測，獲得不同試驗階段裂紋損傷出現的嚴重程度，結合載荷特點與信號參數特征，采用不同的濾波屏蔽方式，噪聲濾波方法以及數據處理方法。
4.3 a，b值選擇
材料a，b值（無單位）對應裂紋穩定擴展和快速擴展的起始點。因此試驗中對裂紋的準確捕捉及其對裂紋發展動態的準確掌握是研究的關鍵。根據文獻資料和檢測經驗認為裂紋擴展過程的聲發射信號有如下一些特點，可以依據這些特征掌握裂紋的發展動態。
（1） 材料出現裂紋后，裂紋源附近通道的接收信號的撞擊數、事件數會逐漸增加。
（2） 定位圖將出現裂紋源所在位置的定位點，并持續集中聚集。
（3） 定位事件的曲線圖將出現拐點。
（4） 定位事件的能量圖出現突增。
（5） 頻譜圖會出現裂紋信號特征頻率并持續聚集。
（6） 根據裂紋活動信號到達探頭的時間可以初步判斷裂紋所在區域，根據到達附近探頭的信號幅值、能量大小關系可判斷裂紋源的位置情況。
4.4 活強度取值
（1） 考慮到現有 NB/T 47013.9 標準最低采用 40 dB 門檻，以及現場檢測過程的背景噪聲水平接近或大于 40 dB，此次將低于 40 dB 的信號不作為a，b值的取值參考。
（2） 強度取值參考如下階段：a值：塑性屈服階段（a值推薦），b值：強化階段（b值推薦）。
（3） 拉伸試驗過程中，為了使表征強度的信號參數具有一致性，采用信號幅值參數作為強度的表征參數，其不受門檻影響，受軟件設置影響較小，受信號類型的影響較小。
（4） 不同類型、不同編號的試件在加載過程中出現的信號幅值如表1~4所示。
Table 1. 母材 V 口缺陷試件幅值響應
| 加載階段 | 范圍 | 最大值 | 平均值 |
|---|---|---|---|
| 屈服階段 | 35~37 | 37 | 35.8 |
| 強化階段 | 60~75 | 75 | 65.2 |
Table 2. 母材無缺陷試件幅值響應
| 加載階段 | 范圍 | 最大值 | 平均值 |
|---|---|---|---|
| 屈服階段 | 45~61 | 61 | 54.2 |
| 強化階段 | 54~75 | 75 | 61.4 |
Table 3. 焊縫無缺陷試件幅值響應
| 加載階段 | 范圍 | 最大值 | 平均值 |
|---|---|---|---|
| 屈服階段 | 40~58 | 58 | 44.6 |
| 強化階段 | 50~80 | 80 | 58.8 |
Table 4. 焊縫帶缺陷試件幅值響應
| 加載階段 | 范圍 | 最大值 | 平均值 |
|---|---|---|---|
| 屈服階段 | 56~73 | 73 | 65.8 |
| 強化階段 | 73~94 | 94 | 82.8 |
（5） 最后將表征a值、b值大小的數據由小到大排序，將最大的5個數值進行平均，減小測試誤差，該均值較為接近損傷的參數表征數值。
（6） 相同材料下，焊縫帶缺陷的幅值響應較高，這也說明缺陷對聲發射的貢獻程度和顯度都較高，這從理論上證明了聲發射對壓力容器活性缺陷的檢測能力是具備且足夠的。
（7） 鑒于將來主要針對壓力容器進行檢測的實際情況，認為選擇焊縫帶缺陷的試件數據來取a，b值更有意義。故a，b值均取分布圖上最大的 5個數值進行平均，所得均值作為推薦較為合理。
鑒于實際容器結構上的焊縫缺陷顯著聲發射程度可能大于試件的，因此按照試件試驗確定的a，b值應該是偏于保守和安全的，也就是具有更高靈敏度和較小缺陷的發現以及評價能力。因此將屈服階段作為聲發射強度閾值的a值的取值參考范圍；強化階段作為聲發射強度閾值的b值的取值參考范圍。
對4種類型試件的5個樣本的拉伸幅值數據由小到大進行排序，將40 dB以上的數據進行排序和作圖顯示，a值排序結果如圖14所示，b值排序結果如圖15所示。
圖 14 a值分布示意（由小到大排序）
圖 15 b值分布示意（由小到大排序）
5. 結論
通過系統性的拉伸試驗和聲發射信號分析，對0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼材料的聲發射強度閾值進行了定量研究，得到以下結論。
（1）0Cr18Ni9Ti材料在屈服階段的聲發射強度閾值a值推薦范圍為58~73 dB，平均值為67.2 dB；在強化階段的b值推薦范圍為79~94 dB，平均值為84.2 dB。
（2）焊縫帶缺陷試件的聲發射響應最為顯著，其幅值響應明顯高于其他類型試件的響應，這一結果與理論預期相符，證實了聲發射技術對活性缺陷檢測的有效性。
（3）試驗結果為0Cr18Ni9Ti材料聲發射檢測提供了可靠的強度閾值參考依據，對壓力容器等承壓設備的聲發射檢測和安全評價具有重要的工程應用價值。
文章來源——材料與測試網
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